轨道交通电力整流变压器结构特点与整流方式分析

引言

随着经济社会的不断发展与进步,城市规模不断扩大,人口越来越密集。出行是否方便,关系到社会效率的高低。许多大型城市正逐步发展自己的城市轨道交通,轨道交通成为城市交通的重要组成部分,且在今后的发展中将占据更大的比重。本文将对轨道交通牵引整流变压器特点以及在轨道交通电网中如何整流进行简要分析。

1轨道交通供电系统的组成

集中式供电方式是城市轨道交通系统最近几年来常采用的方式,电源直接来自于城市电网的220kV或110kV电压,经主变将电源电压降为35kV,再经过牵引整流变压器及整流器为轨道交通提供1500V的直流电。轨道交通牵引整流变压器在轨道交通电网中起到人体心脏的作用,如图1所示。

2轨道交通牵引整流变压器与普通变压器异同

轨道交通牵引整流变压器与普通变压器的基本原理相同,都是根据法拉第电磁感应定律设计的静止的供电设备,其最核心的原理相同。等效12脉波变压器的基本结构均采用低压线圈套绕铁芯柱上、高压绕组套绕低压绕组的结构形式,在外观样式上与普通双绕组变压器类似。

但等效12脉波变压器轨道交通牵引整流变压器的线圈采用轴向分裂的结构,两个高压网侧的高压线圈一般均为角接,两个高压线圈的结构形式以及匝数完全相同,上下对称布置,两只高压线圈并联接入电网中。两只低压线圈也为轴向分裂,一只低压线圈为星接,一只低压线圈为角接。这是其与普通双绕组变压器的最大区别。

等效24脉波变压器轨道交通牵引整流变压器则是由2台等效12脉波变压器轨道交通牵引整流变压器组合而成的一个系统,其中一台变压器相位角前移+7.5o,另一台变压器后移-7.5o,则两台变压器相位角相差15o。两台变压器除移相角不同外,其余参数完全相同。

3变压器整流方式的选择

在现实中,常采用的移相方式主要有6种,分别为单半波整流电路、单相全波整流电路、单相桥式整流电路、三相半波整流电路、三相桥式整流电路和三相双反星形带平衡电抗器整流电路。整流电路主要是利用晶闸管的单向导通性原理,在正半周期中,当上端的次级绕组相对于下端为正时,二极管处于正向偏置状态并导通电流。在正半周期中,当假定二极管的正向电阻为零时,输入电压直接施加到负载电阻。输出电压和输出电流的波形与交流输入电压的波形相同。在负半周期中,当下端的次级绕组相对于上端为正时,二极管处于反向偏置状态并且不传导电流。在负半周期间,负载两端的电压和电流保持为零,反向电流的幅度非常小,并且被忽略,所以在负半周期内没有功率输出。

下面针对三相电路中的整流电路分别进行分析。

3.1三相半波整流电路

图2为未经整流电路输出的三相电流波形图,图3为三相半波整流电路的原理图以及经整流电路整流后输出的电流波形图。在周期时,ea>eb并且ea>ec:因此二极管D1单向导通,其余的二极管因受反向电压而闭合。同理,在周期时,二极管D2单向导通:在周期时,二极管D3单向导通。在后续的周期中,这个过程不断地进行重复。电源的每个周期长度为2m,每一相只有在周期长度的时才会单向导通,在周期的其余时间段是闭合的,没有输出。如图3中输出电流波形所示,在2m周期内,三相电流只有3个波头的输出,输出波动较大。

3.2三相桥式整流电路

图4为三相桥式整流电路的原理图以及经整流电路整流后输出的电流波形图。结合图2,在周期时,eab的电压差最大,因此除二极管D1和D5单向导通,其余的二极管因受反向电压而闭合,此时电流依次流经a、D1、Z、D5、b。同理,在周期时,eac的电压差最大,因此除二极管D1和D6单向

导通,其余的二极管因受反向电压而闭合,此时电流依次流经a、D1、Z、D6、C:在周期时,ebc的电压差最大,因此除二极管D2和D6单向导通,其余的二极管因受反向电压而闭合,此时电流依次流经b、D2、Z、D6、C:在周期时,eba的电压差最大,因此除二极管D2和D4单向导通,其余的二极管因受反向电压而闭合,此时电流依次流经b、D2、Z、D4、a:在周期时,eca的电压差最大,因此除二极管D3和D4单向导通,其余的二极管因受反向电压而闭合,此时电流依次流经c、D3、Z、D4、a:在周期时,ecb的电压差最大,因此除二极管D3和D5单向导通,其余的二极管因受反向电压而闭合,此时电流依次流经c、D3、Z、D5、b:在后续的周期按照前面的叙述不断地循环。

如图4所示,在每一线路导通时,总会有共阳极的一个晶体管和共阴极的晶体管串联在电路中,在2π周期内,三相电流有6个波头的输出,输出波动较小。

3.3三相双反星形带平衡电抗器整流电路

图5为三相双反星形带平衡电抗器整流电路的原理图以及经整流电路整流后输出的电流波形图。

如图5所示,三相双反星形带平衡电抗器整流电路可以视为两个三相半波整流电路与平衡电抗器并联组成,平衡电抗器与负载串联后并联在三相半波电路的中性点上。在某一时刻m点时,ea1的电势最高,ec2的电势第二高,当有平衡电抗器时,由于平衡电抗器的作用,两者的电势相同,二极管D1和D6同时单向导通。由波形图可知,在2π周期内,三相电流有6个波头的输出,输出波动较小。

4结语

因半波整流电路是将电源的负半周期过滤掉,得到的一个周期只有3个脉波,对电网电能的损耗较大,电能利用率低,现在已经不再使用。三相桥式整流电路可以得到一个周期6个脉波,位于负周期的电能得到充分利用,比半波整流的效率提高一倍,但是结构却没有太复杂。三相双反星形带平衡电抗器整流电路与其他整流电路相比较,结构更加复杂,但整流效果却没有很好的改善,因此使用也较少。综上所述,桥式整流电路应用最为广泛。